JP5333156B2 - 気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板上にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１）膜を有機金属気相エピタキシャル（Metal Organic Chemical Vapor Deposition： MOCVD）法によってエピタキシャル成長させる気相成長装置に関し、特に良質なＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ膜を得ることができ、生産性を向上させることができる気相成長装置に関する。

エレクトロニクス・オプトエレクトロニクス用材料としてＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体膜、特にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１）膜が用いられている。Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ膜のエピタキシャル成長方法として、ＭＯＣＶＤ法やＭＯＶＰＥ（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）法が一般的に知られており、最近では塩化物気相エピタキシャル（Hydride Vapor Phase Epitaxy: HVPE）法も提案されている。

ＨＶＰＥ法でＧａＮ膜を成膜する場合、表面にＧａＮ薄膜を形成したサファイア基板を内部に保持した反応炉内にガリウム金属を装填し、反応炉に塩酸ガスを導入して塩化ガリウムガスを発生させ、これにアンモニアガスを反応させてＧａＮ膜を堆積させる。このＨＶＰＥ法は、ＭＯＣＶＤ法やＭＯＶＰＥ法に比べて成膜速度が高い。例えば、ＭＯＶＰＥ法によるＧａＮ膜の典型的な成膜速度は毎時数μｍであるが、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ膜の典型的な成膜速度は毎時数百μｍである。従って、ＨＶＰＥ法は、膜厚の大きなＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体膜を形成する場合に有利である。

しかし、ＨＶＰＥ法では、良好なＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１）膜が得られにくく、基板内での膜厚の変動が比較的大きいという問題がある。また、ＭＯＶＰＥ法では成膜速度が遅く、コストが高くなるという問題がある。従って、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１）膜のエピタキシャル成長にはＭＯＣＶＤ法が用いられる。

ＭＯＣＶＤ法を用いる装置の反応炉の内壁は一般的に石英（ＳｉＯ_２）製である。そして、基板と対向するように反応炉の天井部の内壁に取り付けられた天板（防着板）も石英製である（例えば、特許文献１参照）。結晶成長中に天板にもデポ膜が堆積するため、デポ膜が堆積した天板を洗浄した天板に定期的に交換する必要がある。

特開平５−１４４７３４号公報

Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１）膜の成長温度の高低差は、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体膜のそれに比べて大きい。従って、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１）膜の成長中に天板は大きく撓む。このため、天板に堆積したデポ膜に亀裂が発生し、そこを起点としてデポ膜が剥がれて基板上に落下して、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１）膜の特性が著しく劣化するという問題があった。これを防ぐためには、天板を短いサイクルで交換する必要があり、生産性が劣化するという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、良質なＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ膜を得ることができ、生産性を向上させることができる気相成長装置を得るものである。

本発明は、基板上にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１）膜をＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させる気相成長装置において、反応炉と、前記反応炉内において前記基板を保持するサセプタと、前記反応炉内に原料ガスを導入する導入部と、前記基板と対向するように前記反応炉の内壁に取り付けられた防着板と、前記防着板の前記基板側の表面に形成され、ＧａＮ膜とＡｌＮ膜が交互に積層された多層膜とを備えることを特徴とする気相成長装置である。

本発明により、良質なＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ膜を得ることができ、生産性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る気相成長装置を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る気相成長装置を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る気相成長装置を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る防着板を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る気相成長装置を示す図である。反応炉１０内に基板１２を水平に保持するサセプタ１４が設けられている。加熱装置１６は、サセプタ１４を介して基板１２を所定の温度に加熱する。

導入部１８は、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム若しくはトリメチルインジウム又はこれらの有機金属ガスの２種類以上の混合ガスである有機金属原料２０を導入する導入管２２と、窒素原料であるアンモニア２４を導入する導入管２６とに接続されている。そして、導入部１８は、これらの原料ガスを水素や窒素のようなキャリアガスとを一緒に反応炉１０内に導入する。反応炉１０の外周部にガス排気口２８が設けられ、ガス排気口２８は排気系に接続されている。

基板１２と対向するように反応炉１０の天井部の内壁に、石英（ＳｉＯ_２）製の天板３０（防着板）が取り付けられている。天板３０の基板１２側の表面に、ＧａＮ膜とＡｌＮ膜が交互に２０層積層された多層膜３２が形成されている。ＧａＮ膜とＡｌＮ膜の一層分の膜厚はそれぞれ２００ｎｍである。

この気相成長装置は、基板１２上にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１）膜、即ちＡｌＮ膜、ＧａＮ膜、ＩｎＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、ＡｌＩｎＮ膜、ＧａＩｎＮ膜、又はＡｌＧａＩｎＮ膜をＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させる。即ち、反応炉１０内に導入された有機金属原料２０とアンモニア２４との反応により生成された金属窒化物が、加熱された基板１２上に堆積する。この際に、天板３０の表面にもＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなるデポ膜が堆積する。

上記のように、多層膜３２は、熱膨張率差が大きいＧａＮ膜（熱膨張率：５．５９×１０^−６／Ｋ）とＡｌＮ膜（熱膨張率：４．１５×１０^−６／Ｋ）が交互に積層されたものである。従って、デポ膜と天板３０の間に発生する内部ストレスが多層膜３２によって緩和される。

これにより、天板３０からデポ膜が剥がれるのを抑制することができる。従って、面内均一に良質なＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ膜を得ることができる。また、天板３０の交換サイクルを大幅に伸ばすことができるため、生産性を向上させることができる。

なお、多層膜３２の第一層目がＧａＮ膜とＡｌＮ膜のどちらでもよく、一層分の膜厚や積層数も上記の例に限られない。多層膜３２を形成するには、反応炉１０内を１０００℃まで昇温させ、トリメチルガリウムとアンモニアガスを反応炉１０内に導入してＧａＮ膜を堆積させ、トリメチルアルミニウムとアンモニアガスを導入してＡｌＮを堆積させる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る気相成長装置を示す図である。実施の形態１の石英製の天板３０の代わりに、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる天板３４が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

ＧａＮの熱膨張率は５．５９×１０^−６／Ｋ、ＡｌＮの熱膨張率は４．１５×１０^−６／Ｋ、ＳｉＯ_２の熱膨張率は８×１０^−６／Ｋ、Ａｌ_２Ｏ_３の熱膨張率は５．３×１０^−６／Ｋである。従って、実施の形態１に比べて天板３４とデポ膜との熱膨張率差が小さいため、デポ膜が剥がれるのを更に抑制できる。

なお、天板３４がシリコンカーバイド（ＳｉＣ）（熱膨張率：４．２×１０^−６／Ｋ）からなる場合でも、ある程度の効果を得ることができる。ただし、アルミナからなる天板３４を用いる方が好ましい。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係る気相成長装置を示す図である。図４は、本発明の実施の形態３に係る防着板を示す斜視図である。実施の形態１の天板３０の代わりに天板３６が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

石英製（ＳｉＯ_２）の天板３６の表面に、切削又はブラスト研磨等により格子状の溝３８が施されている。これにより、実施の形態１に比べてデポ膜と天板３０の密着性が向上するため、デポ膜が剥がれるのを更に抑制できる。

ただし、結晶成長中に流れる種々のガスに乱流を発生させないために、極端な凹凸を付けることは好ましくない。そこで、溝３８の深さ及び幅を天板３６の厚みに対して１／５〜１／１０程度にする。また、溝３８の間隔は、剥がれるデポ膜のサイズよりも小さいことが好ましく、例えば５ｍｍ程度とする。

なお、溝３８の深さ、幅及び間隔は上記の例に限られない。また、天板３６が実施の形態２と同様にアルミナからなることが好ましい。

１０ 反応炉
１２ 基板
１４ サセプタ
１８ 導入部
３０，３４，３６ 天板（防着板）
３２ 多層膜
３８ 溝

Claims (3)

1. 基板上にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ただしｘ＋ｙ＋ｚ＝１）膜をＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させる気相成長装置において、
   反応炉と、
   前記反応炉内において前記基板を保持するサセプタと、
   前記反応炉内に原料ガスを導入する導入部と、
   前記基板と対向するように前記反応炉の内壁に取り付けられた防着板と、
   前記防着板の前記基板側の表面に形成され、ＧａＮ膜とＡｌＮ膜が交互に積層された多層膜とを備えることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記防着板はアルミナからなることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記防着板の表面に溝が施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の気相成長装置。

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